溫度和電流密度對(duì)亞硫酸鹽電鍍金的影響

肖江，張超，張偉，張?jiān)仆R春林

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900）

電鍍金層具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、可加工性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗變色性等，被廣泛應(yīng)用于印刷電路板、精密儀器、國防科技和精飾加工行業(yè)[1]。無氰亞硫酸鹽體系電鍍金因具有無毒、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，經(jīng)過不斷發(fā)展，該工藝日趨成熟[2]。在激光慣性約束聚變(ICF)靶制備中，金作為黑腔的主要材料，為了滿足物理實(shí)驗(yàn)的需求，需要滿足以下要求：(1)具有優(yōu)異的表面質(zhì)量，表面光潔，無凹坑、節(jié)瘤等缺陷；(2)厚度較大，一般在50 ～ 200 μm范圍內(nèi)；(3)加工性能良好，能夠滿足車床、銑床的加工要求[3-5]。電鍍金層的加工性能與金層的晶體結(jié)構(gòu)和硬度密切相關(guān)[6-7]。本研究以紫銅片為基體，采用自研的亞硫酸鈉體系鍍液電鍍金，研究了鍍液溫度和電流密度對(duì)所得金層晶相結(jié)構(gòu)和納米硬度的影響，并與冶煉的金片進(jìn)行對(duì)比，為其對(duì)金層加工性能的影響提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電鍍金層的制備

采用紫銅片作為基體(施鍍面積為10 mm × 5 mm)，電鍍工藝流程為：除油(使用石油醚和無水乙醇各超聲清洗3次，每次30 min，清洗后更換新的清洗劑)→活化(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸活化15 s)→預(yù)鍍→電鍍金。

采用亞硫酸鹽體系電鍍金。先在約 10 mA/cm2的電流密度下預(yù)鍍 3 ～ 5 min，再在 pH = 9.20，溫度45 ～ 60 °C，電流密度2 ～ 6 mA/cm2，陰極往復(fù)運(yùn)動(dòng)(距離± 15 mm，頻率0.5 Hz)的條件下電鍍金。通過控制電鍍時(shí)間獲得厚度為(50 ± 5) μm的金層。

1.2 性能表征

使用日本理學(xué)SmartLab9K型X射線衍射儀分析樣品的物相，Cu靶，λ= 1.540 6 ?。以最具代表性的(111)峰半高寬(B)為準(zhǔn)，按式(1)計(jì)算電鍍金層的晶粒尺寸(d)[8-9]。

式中θ為衍射角。

使用安捷倫U9820A Nano Indenter G200型納米壓痕儀測(cè)量樣品的納米硬度，壓痕采用連續(xù)剛度法，壓入深度為2 000 nm，每個(gè)樣品測(cè)試10個(gè)不同部位，取平均值。采用賽默飛FEI Inspect F50型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌，放大倍數(shù)為16萬。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)電鍍金層性能的影響

前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于45 °C時(shí)，電鍍金層表面具有明顯的顆粒狀節(jié)瘤；當(dāng)溫度高于60 °C時(shí)，金鹽開始分解，鍍液變得渾濁，濾芯上出現(xiàn)暗紫色金沉淀。因此，固定電流密度為3 mA/cm2，考察溫度在45 ～60 °C范圍內(nèi)變化對(duì)電鍍金層性能的影響。

從圖1可知，當(dāng)溫度為45 °C時(shí)，金層呈(220)晶面擇優(yōu)取向。隨著溫度的升高，(111)、(200)和(222)晶面的衍射峰強(qiáng)逐漸升高，(220)晶面的峰值呈下降趨勢(shì)，(311)晶面峰值基本保持不變，溫度高于50 °C時(shí)，金層開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐?111)晶面為擇優(yōu)取向。

圖1 不同溫度下所得電鍍金層的XRD譜圖Figure 1 XRD patterns of gold coatings electroplated at different temperatures

從表1可知，溫度在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)電鍍金層的晶粒尺寸影響不大。

表1 不同溫度下所得電鍍金層的晶粒尺寸Table 1 Grain size of gold coatings electroplated at different temperatures

從圖2可知，當(dāng)溫度為45 °C時(shí)，金層的平均納米硬度為2.51 GPa。隨溫度升高，金層的納米硬度變化不大，說明溫度對(duì)電鍍金層納米硬度的影響不大。采取相同參數(shù)測(cè)得冶煉純金的納米硬度為 0.79 GPa，電鍍金層的納米硬度明顯高于冶煉純金，說明電鍍金層具有更優(yōu)的力學(xué)性能。這主要與電鍍金層的晶粒尺寸較小，織構(gòu)更緊密有關(guān)。

圖2 溫度對(duì)電鍍金層納米硬度的影響Figure 2 Effect of temperature on nanohardness of electroplated gold coating

從圖3可知，隨著溫度的升高，金層外觀先變好后變差。在55 °C下電鍍所得的金層表面外觀最佳。綜合考慮金層的各項(xiàng)性能，選擇溫度為55 °C。

圖3 在不同溫度下電鍍所得金層的外觀Figure 3 Appearances of gold coatings electroplated at different temperatures

2.2 電流密度對(duì)電鍍金層性能的影響

從圖4可以看出，當(dāng)電流密度為2 mA/cm2和3 mA/cm2時(shí)，電鍍金層以(111)晶面為擇優(yōu)取向面。隨電流密度增大，(220)晶面的峰強(qiáng)逐漸增大。當(dāng)電流密度為6 mA/cm2時(shí)，電鍍金層轉(zhuǎn)變?yōu)橐?220)晶面為擇優(yōu)取向面，其他晶面的特征峰變化不大。

圖4 不同電流密度下所得電鍍金層的XRD譜圖Figure 4 XRD patterns of gold coatings electroplated at different current densities

從表2可以看出，在不同電流密度下電鍍所得的金層晶粒尺寸相近，都約為30 nm。這表明電流密度對(duì)金層晶粒尺寸的影響不大。

表2 不同電流密度下所得電鍍金層的晶粒尺寸Table 2 Grain size of gold coatings electroplated at different current densities

從圖5可知，當(dāng)電流密度為2 mA/cm2時(shí)，電鍍金層的納米硬度為2.97 GPa，約為冶煉純金的3.5倍。隨電流密度增大，電鍍金層的納米硬度減小。總體來說，電鍍金層的納米硬度顯著高于純金。因此，電鍍金層更有利于機(jī)械加工。

圖5 電流密度對(duì)電鍍金層納米硬度的影響Figure 5 Effect of current density on nanohardness of electrodeposited gold coating

從圖6可知，隨電流密度增大，電鍍金層的外觀先變好后變差，在電流密度為3 mA/cm2時(shí)金層外觀最佳，因此選擇電流密度為3 mA/cm2。

圖6 不同電流密度下所得電鍍金層的外觀Figures 6 Appearances of gold coatings electroplated at different current densities

綜上可知，電鍍金的較佳溫度和電流密度分別為55 °C和3 mA/cm2。如圖7所示，該條件下所得產(chǎn)品零件表面在宏觀上呈現(xiàn)鏡面光亮，無結(jié)瘤，從微觀上看結(jié)晶細(xì)致。

圖7 最佳溫度和電流密度下所得電鍍金零件的外觀和微觀形貌Figure 7 Appearance and micromorphology of a component electroplated with gold at optimal temperature and current density

3 結(jié)論

(1) 鍍液溫度和電鍍電流密度直接影響電鍍金層的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流密度不變，隨著鍍液溫度升高，金層由(220)面擇優(yōu)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)?111)面擇優(yōu)生長(zhǎng)；而溫度不變時(shí)，隨著電流密度增大，金層由(111)面擇優(yōu)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)?220)面擇優(yōu)生長(zhǎng)。電鍍金層的晶粒尺寸為(30 ± 5) nm，與電鍍參數(shù)關(guān)系不大，主要由晶粒生長(zhǎng)方式所決定。

(2) 不同溫度和電流密度得到的電鍍金層的納米壓痕硬度在2 ～ 3 GPa之間，遠(yuǎn)高于冶煉純金的值，其原因是電鍍金層結(jié)晶更為細(xì)致，高納米壓痕硬度更有利于機(jī)械加工。

(3) 電鍍金的較佳溫度和電流密度分別為55 °C和3 mA/cm2，該條件下所得金層呈鏡面光亮，結(jié)晶細(xì)致，納米硬度約為2.6 GPa。